湘潭大學電工學下chapter16mod課件

第16章集成運算放大電路

返回16.1集成運算放大器的簡單介紹16.2運算放大器在信號運算方面的應用16.3運算放大器在信號處理方面的應用16.4運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應用16.5

使用運算放大器應注意的幾個問題集成電路:它是用一定的生產(chǎn)工藝把晶體管、場效應管、二極管、電阻、電容、以及它們之間的連線所組成的整個電路集成在一塊半導體基片上，封裝在一個管殼內(nèi)，構(gòu)成一個完整的、具有一定功能的器件，也稱為固體器件優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小，實現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的三結(jié)合返回目錄16.1集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器：是一種高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路電路方框圖中間級輸入級輸出級偏置電路

盡量減小零點漂移,盡量提高KCMRR,

輸入阻抗ri盡可能大中間級應有足夠大的電壓放大倍數(shù)輸出級主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流io，輸出阻抗ro小。內(nèi)部電路返回目錄集成電路的封裝雙列直插式塑料封裝管腳數(shù)有8、10、12、14、16等種類金屬殼封裝管腳數(shù)有8、10、12等種類返回目錄每兩個運放共用一個偏置電阻四個運放共用VDD、VSS端C14578外引線排列圖返回目錄

rid高:幾十k

幾百k運放的特點：理想運放：

rid

KCMRR很大KCMMRR

ro?。簬资畘幾百

ro

0

Auo很大:104以上~107Auo

運放的特點和符號運放符號：－＋＋

u－

u+

uoA0－＋＋

u－

u+

uoA0－＋＋

u－

u+

uo返回目錄運算放大器的傳輸特性+UO(sat)-UO(sat)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)很窄,所以運放在線性區(qū)工作,通常引入深度電壓負反饋返回目錄運算放大器線性應用時的分析依據(jù)1.差模輸入電阻,兩個輸入端的輸入電流可認為是零，即虛斷。2.開環(huán)電壓放大倍數(shù)

輸出電壓是一個有限值，即虛短。如果信號從反向端輸入，同相端接地

反相端近于“地”電位，即虛地。返回目錄16.2運算放大器在信號運算方面的應用1.比例運算(1)反相輸入返回目錄平衡電阻，保證輸入端對地的靜態(tài)電阻相等電路的輸入電阻平衡電阻返回目錄RR2R1Fuiuo電位為零，虛地電位為零

注意雖然但不能將反相輸入端和同相輸入端直接相聯(lián)或者直接接地返回目錄2.加法運算(1)反相加法器返回目錄平衡電阻加法運算電路與運算放大器本身的參數(shù)無關(guān),只要電阻阻值足夠精確,就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性.返回目錄(2)同相加法器此電路若以為輸入，則輸出為：請想一想：外接的各電阻關(guān)系如何？反相求和電路與同相求電路相比有什么優(yōu)點？請思考：如何選擇電阻，能得出如下結(jié)論差動輸入方式下的電壓放大倍數(shù)注意：這種輸入方式存在較大的共模電壓，應選用KCMRR較大的運放，并應注意電阻阻值的選取。例題返回目錄4.積分運算反相輸入虛地例題返回目錄思考題：在圖示電路中，輸入電壓試求輸出電壓的幅值，并畫出的波形圖。返回目錄例1電路如圖所示，試分別計算開關(guān)S斷開和閉合時的電壓放大倍數(shù)Auf。uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif2.當S閉合時：uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif1.當S斷開時：解：當R1=且RF

=0時，uo=ui，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoui++–uo++–15k15k+15V

7.5k例4試計算圖示電路中uo的大小。解：由于

uo只與電源電壓和分壓電阻有關(guān)，而與負載電阻大小和運放的參數(shù)無關(guān)。例5如圖所示電路，已知RF＝100kΩ，R1＝50kΩ，輸入電壓ui＝3sinωtV，求電壓放大倍數(shù)和輸出電壓uo。uoRFuiR2R1++–解：電壓放大倍數(shù)輸出電壓：例6在圖示電路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求輸出電壓uo。uo1ui1++–+–uoui2RRRA1A2+RRR解：16.3集成運算放大器在信號處理方面的應用一、有源濾波器濾波器就是一種選頻電路。它讓一定頻段的信號通過(衰減很小)，而抑制其余頻段的信號(衰減很大)。濾波器通常分為低通、高通、帶通及帶阻等。無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。缺點：低頻時體積大，很難做到小型化。優(yōu)點：體積小、效率高、頻率特性好。一、有源濾波器1.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++–R1+–uiuoRFuCCR++–R1+–若頻率為變量，為通頻帶放大倍數(shù)幅頻函數(shù)：相頻函數(shù):幅頻特性0|Auf0||Auf(j)|O幅頻函數(shù)：uoRFCR++–R1uiRC二階有源低通濾波器為了改善濾波效果，使

>

0時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。二階一階幅頻特性0|Auf0||T(j)|O2.有源高通濾波器uiuoRFCR++–R1若頻率為變量，uiuoRFCR++–R1為通頻帶放大倍數(shù)幅頻函數(shù)：相頻函數(shù):幅頻特性0|Auf0||Auf(j)|O3.有源帶通濾波器將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，并使低通濾波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率，則構(gòu)成有源帶通濾波器。4.有源帶阻濾波器將低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)，并使高通濾波器的截止頻率大于低通濾波器的截止頻率，則構(gòu)成有源帶阻濾波器。控制信號二、采樣保持電路

采樣保持電路，多用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之前。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行A/D轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的需要。模擬開關(guān)模擬輸入信號采樣存儲電容電壓跟隨器

SuC+–ui+–uo+–++–uG采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應管導通)，ui對存儲電容C充電，uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開(場效應管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變?？刂菩盘杣itouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。

SuC+–ui+–uo+–++–uG三、電壓比較器電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。

運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋，運算放大器工作在飽和區(qū)。1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當u+>u－

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo=–

Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象URuouiR2++–R1參考電壓電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)uiuoOUR當u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo=–

Uo

(sat)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應的輸入電壓。單限電壓比較器：

當ui

單方向變化時，uo

只變化一次。

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURuitOURt1t2Ouot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)URuouiR2++–R1當UR=0時，即輸入電壓和零電平比較，稱為過零比較器。電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0uouiR2++–R1tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲╱i>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)uiuoURR2++–R1

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在同相端Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uouitOURt1t2輸出帶限幅的電壓比較器uo'RVSuouiR2++–R1設穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo=–UZui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

+UZ

–UZ電壓傳輸特性uiuoO例7電路如圖所示，輸入電壓ui是一正弦電壓，其周期為T，輸出端外接RC電路的時間常數(shù)RC<<，試畫出uo、uA、uL的波形。uoRVDuLuiRL++–+–CAui>0

時，uo=+Uo

(sat)

ui

<0

時，uo=–

Uo

(sat)

tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OuoRVDuLuiRL++–+–CAtuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OtuAOtuLO由于RC<<，且uA、uL均由電阻上獲得，故為微分電路。當uo=Uo(sat)時，二極管VD導通，微分電路的時間常數(shù)；而當uo=-Uo(sat)時，二極管VD截止，電路的時間常數(shù)變?yōu)?Uo(sat)–Uo(sat)+Uo(sat)例8如圖所示的電壓比較器，試分析并畫出其電壓傳輸特性曲線。URuouiR2++–R1RP當同相輸入端P點電位UP為零時，電壓比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)門限電平為URuouiR2++–R1RP

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR>016.4運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應用矩形波發(fā)生電路雙向穩(wěn)壓管,起輸出限幅作用R1和R2構(gòu)成正反饋電路起限流的作用反相輸入端的電壓電容兩端電壓的變化是電容通過電阻RF的充放電實現(xiàn)的RF和C構(gòu)成負反饋電路通過比較的大小可得出輸出電壓返回目錄思考題：如何改變矩形波的周期T？矩形發(fā)生器的波形返回目錄2.三角波發(fā)生器組成積分電路組成比較器返回目錄當電路工作穩(wěn)定后,當從返回目錄當電路工作穩(wěn)定后,當從返回目錄如何計算周期?三角波發(fā)生器的波形返回目錄16.5集成運算放大器實際使用中的一些問題一、調(diào)零由于運算放大器的內(nèi)部參數(shù)不可能完全對稱，當輸入信號為零時，輸出信號不為零，應用時要先調(diào)零調(diào)零的兩種方法：

一是在無輸入時調(diào)零，即將兩個輸入端接“地”，調(diào)節(jié)電位器，使輸出電壓為零。

一種是在有輸入時調(diào)零，即按已知輸入信號電壓計算輸出電壓，而后將實際值調(diào)整到計算值。二、保護1．輸入端保護VD1VD2uoui++–RFR2R1當輸入端所加的差模電壓超過